Fizika

Történelem

Ősi csillagászat

A csillagászat a legrégebbi természettudomány. Már a sumérok és az ókori egyiptomiak is tanulmányozták a csillagokat, többnyire jóslási és vallási céllal. Az első babiloni csillagtérképek i. e. 1200 körül készültek. Az, hogy a csillagászati események periodikusak, szintén a babilóniaiakra vezethető vissza. Az ő felfogásuk nem volt tudományos, de megfigyeléseik befolyásolták a későbbi csillagászatot. A csillagászat nagy része Mezopotámiából, Babilóniából, az ókori Egyiptomból és az ókori Görögországból származik. Az egyiptomi csillagászok olyan emlékműveket építettek, amelyek megmutatták, hogyan mozognak az égbolton az objektumok, és az északi féltekén található csillagképek legtöbb neve görög csillagászoktól származik.

Természettudományos filozófia

A természetfilozófia Kr. e. 650 körül kezdődött Görögországban, amikor a filozófusok egy mozgalma a babonát a naturalizmussal váltotta fel, amely cáfolta a szellemit. Leukipposz és tanítványa, Démokritosz ebben az időszakban vetette fel az atom gondolatát.

Fizika a középkori iszlám világban

Az iszlám tudósok az iszlám aranykorban is folytatták az arisztotelészi fizika tanulmányozását. Az egyik fő hozzájárulás a megfigyelő csillagászathoz kapcsolódott. Néhányan, mint Ibn Sahl, Al-Kindi, Ibn al-Haytham, Al-Farisi és Avicenna, az optikával és a látással foglalkoztak. Ibn al-Haytham Az optika könyvében elvetette a látással kapcsolatos korábbi görög elképzeléseket, és új elméletet javasolt. Tanulmányozta, hogyan jut be a fény a szembe, és kifejlesztette a camera obscurát. Az európai tudósok később ebből a könyvből építettek szemüveget, nagyítót, távcsövet és kamerát.

Klasszikus fizika

A fizika a tudományos forradalom után vált önálló tudományterületté. Galilei kísérletei segítették a klasszikus fizika megteremtését. Bár nem ő találta fel a távcsövet, de használta, amikor az éjszakai égboltot nézte. Támogatta Kopernikusz elképzelését, miszerint a Föld a Nap körül mozog (heliocentrizmus). A gravitációt is vizsgálta. Isaac Newton Galilei elképzeléseit felhasználva alkotta meg három mozgástörvényét és az egyetemes gravitáció törvényét. Ezek a törvények együttesen megmagyarázták a Föld közelében zuhanó testek mozgását, valamint a Föld és a bolygók Nap körüli mozgását.

Néhány évszázad múlva az ipari forradalom már javában zajlott, és a tudomány számos területén számos további felfedezés történt. A klasszikus fizika törvényei elég jók a fénysebességnél sokkal lassabban mozgó, nem mikroszkopikus méretű objektumok vizsgálatára. Amikor a tudósok először tanulmányozták a kvantummechanikát, új törvényeket kellett alkotniuk, ami a modern fizika kezdetét jelentette.

Modern fizika

Ahogy a tudósok a részecskéket kutatták, felfedezték azt, amit a klasszikus mechanika nem tudott megmagyarázni. A klasszikus mechanika azt jósolta, hogy a fény sebessége változik, de a kísérletek azt mutatták, hogy a fény sebessége nem változik. Ezt Albert Einstein speciális relativitáselmélete jósolta meg. Einstein azt jósolta, hogy az elektromágneses sugárzás sebessége az üres téren keresztül mindig ugyanaz lesz. Az ő tér-idő felfogása váltotta fel azt az ősi elképzelést, hogy a tér és az idő teljesen különálló dolgok.

Max Planck találta ki a kvantummechanikát, hogy megmagyarázza, miért bocsát ki a fém elektronokat, ha fényt bocsátunk rá, és miért bocsát ki az anyag sugárzást. A kvantummechanika olyan nagyon apró dolgokra vonatkozik, mint az atomot alkotó elektronok, protonok és neutronok. Olyan emberek, mint Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger és Paul Dirac tovább dolgoztak a kvantummechanikán, és végül megszületett a Standard Modell.

Meghatározás

A fizika az energia és az anyag tanulmányozása térben és időben, valamint ezek egymáshoz való viszonya. A fizikusok feltételezik a tömeg, a hosszúság, az idő és az elektromos áram létezését, majd minden más fizikai mennyiséget ezen alapegységek alapján határoznak meg (adják meg a jelentését). A tömeget, a hosszúságot, az időt és az elektromos áramot soha nem határozzák meg, de a mérésükhöz használt szabványos mértékegységeket mindig meghatározzák. A Nemzetközi mértékegységrendszerben (a francia Système International rövidítése SI) a kilogramm a tömeg alapegysége, a méter a hosszúság alapegysége, a másodperc az idő alapegysége, az amper pedig az elektromos áram alapegysége. E négy egységen kívül van még három másik: a mol, amely az anyagmennyiség mértékegysége, a candela, amely a fényerősséget (a világítás teljesítményét) méri, és a kelvin, a hőmérséklet mértékegysége.

A fizika azt vizsgálja, hogyan mozognak a dolgok, és milyen erők mozgatják őket. A fizika például a sebességet és a gyorsulást használja arra, hogy megmutassa, hogyan mozognak a dolgok. A fizikusok tanulmányozzák továbbá a gravitáció, az elektromosság, a mágnesesség és a dolgokat összetartó erőket.

A fizika nagyon nagy dolgokat és nagyon kicsi dolgokat vizsgál. A fizikusok például tanulmányozhatnak csillagokat, bolygókat és galaxisokat, de tanulmányozhatják az anyag olyan apró darabjait is, mint az atomok és az elektronok, valamint a hangot, a fényt és más hullámokat. Emellett vizsgálhatják az energiát, a hőt és a radioaktivitást, sőt a teret és az időt is. A fizika nemcsak azt segít megérteni, hogyan mozognak a tárgyak, hanem azt is, hogyan változtatják meg alakjukat, hogyan adnak ki hangot, milyen meleg vagy hideg lesz, és miből állnak a legkisebb szinten.

Fizika és matematika

A fizika mennyiségi tudomány, mert számokkal való mérésen alapul. A matematikát a fizikában olyan modellek készítésére használják, amelyek megpróbálják megjósolni, hogy mi fog történni a természetben. Ezeket az előrejelzéseket összehasonlítják a valós világ működésével. A fizikusok mindig azon dolgoznak, hogy a világról alkotott modelljeiket jobbá tegyék.

Ágak

A klasszikus mechanika olyan fontos témákat tartalmaz, mint Newton mozgástörvényei, Lagrange-mechanika, Hamiltoni mechanika, kinematika, statika, dinamika, káoszelmélet, akusztika, folyadékdinamika, kontinuum-mechanika. A klasszikus mechanika a természetben egy testre ható erőkről, az erők kiegyensúlyozásáról, az egyensúlyi állapot fenntartásáról stb. szól.

Az elektromágnesesség egy adott test töltéseinek tanulmányozása. Olyan altémákat tartalmaz, mint az elektrosztatika, elektrodinamika, elektromosság, mágnesesség, magnetosztatika, magnetosztatika, Maxwell-egyenletek, optika.

A termodinamika és a statisztikus mechanika összefügg a hőmérséklettel. Olyan fő témákat tartalmaz, mint a hőmotor, kinetikai elmélet. Olyan kifejezéseket használ, mint a hő (Q), munka (W) és belső energia (U). A termodinamika első törvénye a következő egyenlet alapján adja meg a kapcsolatot (ΔU = Q - W)

A kvantummechanika az atomi szintű részecskék tanulmányozása az atommodell figyelembevételével. Magában foglalja az altémákat Útintegrál-formuláció, szóráselmélet, Schrödinger-egyenlet, kvantumtérelmélet, kvantum-statisztikai mechanika.

Relativitás

Haladó ismeretek

Általános leírás

A fizika az anyag és az anyag kölcsönhatásának tudománya. Az anyag a világegyetem bármely fizikai anyaga. Minden anyagból áll. A fizikát arra használják, hogy leírják a minket körülvevő fizikai világegyetemet, és megjósolják, hogyan fog viselkedni. A fizika az a tudomány, amely az anyagot, a mozgást és az erőket, valamint a teret és az időt és a természeti világ egyéb jellemzőit szabályozó egyetemes törvények felfedezésével és jellemzésével foglalkozik.

A fizika terjedelme és céljai

A fizika széles skálán mozog, az anyag legkisebb összetevőitől és az őket összetartó erőktől kezdve a galaxisokig és még nagyobb dolgokig. Úgy tűnik, hogy mindössze négy olyan erő van, amely az egész tartományban működik. Azonban még ezt a négy erőt (a gravitációt, az elektromágnesességet, a radioaktivitáshoz kapcsolódó gyenge erőt és az atomban a protonokat és neutronokat összetartó erős erőt) is egyetlen erő különböző részeinek tartják.

A fizika elsősorban arra a célra összpontosít, hogy egyre egyszerűbb, általánosabb és pontosabb szabályokat alkosson, amelyek meghatározzák az anyag és a tér jellegét és viselkedését. A fizika egyik fő célja, hogy olyan elméleteket alkosson, amelyek a világegyetemben mindenre érvényesek. Más szóval a fizikára úgy tekinthetünk, mint azoknak az egyetemes törvényeknek a tanulmányozására, amelyek a lehető legalapvetőbb szinten határozzák meg a fizikai világegyetem viselkedését.

A fizika a tudományos módszert alkalmazza

A fizika a tudományos módszert alkalmazza. Ez azt jelenti, hogy kísérletekből és megfigyelésekből származó adatokat gyűjtenek. Olyan elméletek születnek, amelyek megpróbálják megmagyarázni ezeket az adatokat. A fizika ezeket az elméleteket nemcsak a fizikai jelenségek leírására használja, hanem a fizikai rendszerek modellezésére és annak előrejelzésére is, hogy ezek a fizikai rendszerek hogyan fognak viselkedni. A fizikusok ezután összehasonlítják ezeket a jóslatokat a megfigyelésekkel vagy kísérleti bizonyítékokkal, hogy megmutassák, az elmélet helyes vagy helytelen.

Az adatokkal jól alátámasztott, különösen egyszerű és általános elméleteket néha tudományos törvényeknek nevezik. Természetesen minden elméletet, így a törvényeknek nevezetteket is, fel lehet váltani pontosabb és általánosabb törvényekkel, ha az adatokkal való ellentmondást találunk.

A fizika kvantitatív

A fizika sokkal kvantitatívabb, mint a legtöbb más tudomány. Vagyis a fizikában sok megfigyelés numerikus mérések formájában ábrázolható. A fizikában a legtöbb elmélet matematikát használ az elveik kifejezésére. Az elméletekből származó előrejelzések többsége numerikus. Ez azért van így, mert a fizika által tárgyalt területek jobban működnek kvantitatív megközelítésekkel, mint más területek. A tudományok is hajlamosak arra, hogy idővel egyre inkább kvantitatívvá váljanak, ahogy egyre fejlettebbé válnak, és a fizika az egyik legrégebbi tudomány.

A fizika területei

A klasszikus fizika általában a mechanika, az optika, az elektromosság, a mágnesesség, az akusztika és a termodinamika területeit foglalja magában. A modern fizika kifejezés általában a kvantumelméletre támaszkodó területeket foglalja magában, beleértve a kvantummechanikát, az atomfizikát, az atomfizikát, a részecskefizikát és a kondenzált anyag fizikáját, valamint az általános és a speciális relativitáselmélet modernebb területeit, de ez utóbbi kettőt gyakran a klasszikus fizika területének tekintik, mivel nem támaszkodnak a kvantumelméletre. Bár ez a különbség régebbi írásokban is megtalálható, ez kevés új érdekességgel bír, mivel ma már a kvantumhatásokat olyan területeken is fontosnak tartják, amelyeket korábban klasszikusnak neveztek.

Megközelítések a fizikában

A fizika tanulmányozásának számos megközelítése létezik, és a fizikával kapcsolatos tevékenységek is sokfélék lehetnek. A fizikában két fő tevékenységtípus létezik; az adatgyűjtés és az elméletek kidolgozása.

A fizika egyes részterületein az adatok kísérletezhetőek. Például a kondenzált anyagok fizikája és az atomfizika számára előnyös, hogy kísérleteket lehet végezni. A kísérleti fizika elsősorban az empirikus megközelítésre összpontosít. Néha kísérleteket végeznek a természet feltárására, más esetekben pedig azért, hogy az elméletek előrejelzéseivel összehasonlítható adatokat nyerjenek.

A fizika néhány más területe, például az asztrofizika és a geofizika többnyire megfigyelésen alapuló tudományok, mivel a legtöbb adatot nem kísérletezéssel, hanem passzívan kell gyűjteni. Ezeken a területeken a megfigyelési programok azonban számos olyan eszközt és technológiát használnak, amelyeket a fizika kísérleti részterületein is alkalmaznak.

Az elméleti fizika gyakran használ kvantitatív megközelítéseket az adatok magyarázatát célzó elméletek kidolgozásához. Ily módon az elméleti fizikusok gyakran használják a matematika eszközeit. Az elméleti fizika gyakran magában foglalhatja a fizikai elméletek kvantitatív előrejelzéseinek létrehozását, és ezen előrejelzések kvantitatív összehasonlítását az adatokkal. Az elméleti fizika néha a fizikai rendszerek modelljeit hozza létre, mielőtt az adatok rendelkezésre állnának e modellek teszteléséhez és alátámasztásához.

A fizika e két fő tevékenysége, az adatgyűjtés, az elméletalkotás és a tesztelés számos különböző készséget használ. Ez a fizikában sok specializációhoz vezetett, és más területekről származó eszközök bevezetéséhez, fejlesztéséhez és használatához. Az elméleti fizikusok például matematikát és numerikus elemzést, statisztikát és valószínűséget, valamint számítógépes szoftvereket használnak munkájuk során. A kísérleti fizikusok műszereket és technikákat fejlesztenek az adatgyűjtéshez, felhasználva a mérnöki és számítástechnikát, valamint a technológia számos más területét. Gyakran előfordul, hogy e más területekről származó eszközök nem felelnek meg teljesen a fizika igényeinek, és módosítani kell őket, vagy fejlettebb változatokat kell készíteni.

Gyakori, hogy új fizikát fedeznek fel, ha a kísérleti fizikusok olyan kísérletet végeznek, amelyet a jelenlegi elméletek nem tudnak megmagyarázni, vagy ha az elméleti fizikusok elméleteket alkotnak, amelyeket aztán a kísérleti fizikusok tesztelhetnek.

A kísérleti fizika, a mérnöki tudomány és a technológia összefügg. A kísérletekhez gyakran speciális eszközökre, például részecskegyorsítókra, lézerekre van szükség, és az olyan fontos ipari alkalmazások, mint a tranzisztorok és a mágneses rezonancia képalkotás az alkalmazott kutatásból származnak.

Fizikusok

Jelentős elméleti fizikusok

Híres elméleti fizikusok

Kapcsolódó oldalak

• Csillagászat
• Energia
• Anyag
• Idő